第二章-半导体器件(补充部分)..ppt

补充半导体器件,半导体的特性,半导体二极管,双极型三极管(BJT),场效应三极管,半导体的特性,半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,图1.1.1硅原子结构,(a)硅的原子结构图,(b)简化模型,本征半导体,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图1.1.2单晶体中的共价键结构,当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。,图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,1.半导体中两种载流子,2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。,3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,杂质半导体,N型半导体,P型半导体,一、N型半导体,掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等,电子浓度多于空穴浓度，即np。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。,多余电子,磷原子,硅原子,二、P型半导体,掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等,空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,受主原子,空穴,图1.1.5P型半导体的晶体结构,半导体二极管,PN结及其单向导电性,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。,图1.2.1PN结的形成,一、PN结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,PN结，耗尽层。,图1.2.1,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差UD电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,图1.2.1(b),5.扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流,空间电荷区的宽度约为几微米几十微米；,等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与,漂移运动达到动态平衡。,电压壁垒UD，硅材料约为(0.60.8)V,锗材料约为(0.20.3)V。,二、PN结的单向导电性,1.PN外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,图1.2.2,2.PN结外加反向电压(反偏),不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生非常小的反向电流IS；,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。,综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。,二极管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,图1.2.4二极管的伏安特性,1.正向特性,当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。,相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。,正向特性,死区电压,当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。,2.反向特性,当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；,二极管加反向电压，反向电流很小；,如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；,这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,结论：,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,双极型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(BipolarJunctionTransistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。,图1.3.1三极管的外形,三极管的结构,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2三极管的结构,(a)平面型(NPN),e发射极，b基极，c集电极。,图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,基极b,发射极e,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,发射极e,基极b,三极管的放大作用和载流子的运动,以NPN型三极管为例讨论,图1.3.4三极管中的两个PN结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求：,1.发射区高掺杂。,2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3.集电结面积大。,三极管中载流子运动过程,发射区向基区注入电子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流IEp，因为IEnIEp，所以发射极电流IEIEn。,注入电子在基区边扩散边复合，形成复合电流IBn。,集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流IC。,集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，通常称为反向饱和电流ICBO。,电子注入,复合,少子漂移,一、输入特性,(1)UCE=0时的输入特性曲线,当UCE=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,1.3.3三极管的特性曲线,(2)UCE0时的输入特性曲线,当UCE0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,UCEUBE，三极管处于放大状态。,*特性右移(因集电结开始吸引电子),UCE1时的输入特性具有实用意义。,*UCE1V，特性曲线重合。,图1.3.6三极管共射特性曲线测试电路,图1.3.8三极管的输入特性,二、输出特性,图1.3.9NPN三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,放大区,放大区,1.截止区IB0的区域。,两个结都处于反向偏置。,IB=0时，IC=ICEO。硅管约等于1A，锗管约为几十几百微安。,截止区,截止区,2.放大区：,条件：发射结正偏集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,二、输出特性,放大区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放大区,放大区,对NPN管UBE0，UBC0UBC0。,特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。ICIB。,当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCEUBE时称为过饱和。,饱和管压降UCES0.4V(硅管)，UCES0.2V(锗管),饱和区,饱和区,判断BJT工作状态的关键知识,Je零偏或反偏，Jc也反偏,BJT截止,Je正偏,放大还是饱和？,先假设饱和求IBS,IBS=ICS/,再求IB,比较IB与IBS,IBIBS,饱和管压降,BJT饱和,进而确定IC和UCE,题114（a）：已知三极管=50，UBE0.7V。试估算电路中的IC、UCE，判断工作状态。,解:(1)Je正偏，假设BJT饱和导通.饱和导通条件：,(2)求IB,(3),IB0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。,UGS=0，UDG，ID较大。,UGS0，UDG0时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),UGS|UP|,ID0,夹断,(1)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),三、特性曲线,1.转移特性(N沟道结型场效应管为例),图1.4.6转移特性,UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。,两个重要参数,饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID),夹断电压UP(ID=0时的UGS),1.转移特性,2.漏极特性,当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。,2.漏极特性,图1.4.6(b)漏极特性,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS=常数,UDS=15V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性,1.4.2绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。,特点：输入电阻可达109以上。,类型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,一、N沟道增强型MOS场效应管,1.结构,B,G,S,D,源极S,漏极D,衬底引线B,栅极G,图1.4.8N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图,2.工作原理,绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。,工作原理分析,(1)UGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(2)UDS=0，0UGSUT，UGDUT,(b)UGD=UT,(c)UGD0，产生较大的漏极电流；,UGS0；UGS正、负、零均可。,图1.4.15MOS管的符号,图1.4.14特性曲线,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流IDSS,2.夹断电压UP,3.开启电压UT,4.直流输入电阻RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。,二、交流参数,1.低频跨导gm,2.极间电容,用以描述栅源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。,单位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电